圖象亮度

圖象亮度是指畫面的明亮程度，單位是堪德拉每平米(cd/m²)或稱nits。圖象亮度是從白色表面到黑色表面的感覺連續體，由反射係數決定，亮度側重物體，重在“反射”。

基本介紹

• 中文名：圖象亮度
• 外文名：Image brightness
• 描述：畫面的明亮程度
• 套用：圖像處理
• 學科：光學

概念

圖像處理中，主要有圖象對比度、圖象亮度和圖象飽和度這三個概念。

（1）圖象對比度：一副圖像中，各種不同顏色最亮處和最暗處之間的差別，差別越大對比度越高，這個跟解析度沒有多少關係，只跟最暗和最亮有關係，對比度越高一個圖像給人的感覺就越刺眼，更加鮮亮，突出；越低則給人感覺變化不明顯，反差就越小。這個概念只是在給定的圖像中，與圖像中顏色亮度的變化有關。

（2）圖象亮度：一副圖像給人的一種直觀感受，如果是灰度圖像，則跟灰度值有關，灰度值越高則圖像越亮。

（3）圖象飽和度：彩色圖像的概念，飽和度為0的話，圖像表現為灰度圖像；飽和度越高顏色表現出種類越多，顏色表現更豐富，反之亦然。

圖像亮度特徵對ROI提取的影響

人們對所觀察的圖像感興趣的並不是整幅圖像中的所有信息，而是僅僅對一部分區域或者幾部分區域中的內容感興趣，這些區域即是感興趣區域(Regionofinterest，ROI)。如果能找出這些區域，並且對不同的區域賦予不同的優先權進行處理，將大大提高圖像處理的效率和準確性，圖像的底層特徵直接影響著ROI的提取質量，因此，定性和定量地分析研究各底層特徵對提取圖中ROI的影響程度十分必要。利用圖像中的拐點(邊角、交叉點和紋理變化較大的位置)作為關鍵位置來提取ROI；利用熵來降低提取圖像特徵的複雜性，並選取熵較大的區域作為ROI；利用基於視覺節奏的視覺注意模型來提取ROI；通過組合顏色顯著性和離散矩變換(DMT)，區域種子增長和融合算法獲得ROI；討論圖像中ROI和非ROI的大小劃分問題。然而，這些研究均沒有單獨討論圖像中的亮度特徵對ROI提取的影響。亮度是視覺系統對可見物體輻射或者發光量的感知屬性，沒有亮度，其他底層特徵諸如形狀、運動、顏色等也無法表現出來。同時，亮度同時也是一種外界輻射的物理量在視覺中反映出來的心理物理量，是影響圖像ROI提取的1個重要底層特徵。

研究從2方面實現圖像ROI提取：一方面通過設計眼動實驗，利用眼動儀記錄被測試者觀看圖像時的眼動數據，並根據所記錄的眼動數據來獲得注視焦點(種子點)，利用種子填充提取出圖像ROI；另一方面，通過改進Itti-Koch視覺注意模型，利用該模型提取顏色特徵和亮度特徵顯著圖，並通過賦予不同權重融合成1幅最終顯著圖，自動閾值分割提取圖像ROI。根據不同權重提取的ROI結果，分析圖像亮度特徵對提取ROI的影響，對改進的Itti-Koch模型提取出的圖像ROI與眼動實驗提取出的圖像ROI進行相似度計算及區域評價，驗證本文所提算法的有效性與準確性，並進一步分析圖像亮度特徵對ROI提取的影響。

基於眼動實驗的 ROI 提取

研究亮度特徵對提取ROI的影響，使用EyeLinkⅡ眼動儀，選取21位大學本科一年級和二年級的同學做眼動實驗，記錄這些被測試者觀看圖像時眼睛運動的相關數據。眼動實驗目的是通過眼動儀記錄被測試者的注視點在圖像中的位置，從而獲取圖像的注視顯著圖和ROI，故只需分析注視點數據。其中注視時間大於2000ms或小於100ms的注視點，認為是被測試者注意力不集中或被測試者注視漂移時採集的，這些數據均應剔除，最後得到19位被測試者的有效數據。為消除實驗過程中中央偏向性的影響，每張圖像第1次注視數據也被剔除。

利用篩選後眼動實驗注視點所得注視焦點作為種子點，通過種子填充、形態學操作、開閉運算和中值濾波等處理實現圖像ROI提取。

基於改進 Itti-Koch 模型的 ROI提取

Itti-Koch視覺注意模型是基於人類視覺感知過程建立的，研究依據Itti-Koch模型這一特點，改進該模型，便於其實現圖像ROI提取。亮度是光作用於人眼時所引起的明亮程度的感覺，它與被觀察物體的發光強度有關。由於其強度不同，看起來可能會亮一些或者暗一些。對於同一物體，照射光越強，反射光也越強，感覺越亮；對於不同的物體，在相同照射情況下，反射越強者看起來越亮。顏色特徵在計算圖像顯著性的過程中占很大的比例，基於此，選擇顏色特徵作為對比，分析亮度特徵對圖像ROI提取的影響，並分析亮度特徵在不同權重情況下對提取ROI的貢獻。利用改進的Itti-Koch模型提取出亮度特徵顯著圖和顏色特徵顯著圖，並將2個特徵顯著圖按照不同權重融合得到最終顯著圖，通過自動閾值分割提取出ROI，最後對圖像進行二值化得到待評價區域。

研究結論

(1)根據眼動實驗注視點和改進的Itti-Koch模型分別實現了圖像ROI提取。

(2)通過區域評價計算ROI相似度驗證了基於改進的Itti-Koch模型提取ROI的準確性和有效性。

(3)通過比較眼動實驗提取出的ROI和改進的Itti-Koch模型提取出的ROI的相似度，亮度特徵影響圖像ROI的提取質量。一般來說，提取圖像ROI時，亮度特徵權重不宜超過0.5。

基於LCoS像素級圖像亮度調整方法研究

在計算機視覺研究領域，圖像採集作為光學測量系統的關鍵環節，通常因為外界因素影響圖像質量，例如測量環境變化以及被測物體表面材質、結構、粗糙程度分布不同。在這些因素中，影響較大的是被測物體的高亮和鏡面反射。因為如果反射光的強度差異過大，易造成採集圖像局部曝光過飽和，從而影響測量系統的後續數據處理。

為了避免圖像採集系統中發生局部過飽和的情況，通常有3種方法來解決這個問題。第1種方法是根據測量環境和測量對象，設計不同的照明方式解決過飽和現象。照明光源需要儘量均勻，光斑大小和安裝照射角度很難調節。第2種方法是在攝像機的前端增加光學濾波器，從而抑制強光，起到抑制過飽和現象的作用。此方法能夠保證測量圖像最大亮度在圖像感測器的動態範圍之內，但是這種方法同時使低亮區域圖像變暗，在測量中需要滿足低亮區域為非測量區域條件。第3種方法是採用高動態範圍攝像機，避免強光導致CCD局部過曝光。高動態攝像機的優點是套用簡單，在高動態攝像機DSP晶片內部，對同一目標進行長短時間2次曝光，然後採用圖像合成算法獲取圖像亮度均勻的圖像，合成圖像在測量中無法獲取被測物圖像真正的亮度信息。這些方法都能解決曝光過飽和問題，但是不能對圖像的亮度進行精確調整。

這些方法雖然能在特定的環境下獲得好的圖像質量，但是無法對圖像的亮度進行像素級調整。研究採用高解析度反射式矽基液晶(LCoS)和CCD相結合設計新的光學成像系統，通過調整LCoS像素的反射率，實現CCD圖像亮度像素級調節，並且CCD單次曝光可以獲得高動態的圖像，利用此技術獲得高動態且不會損失圖像細節的三維圖像，可以提高光學三維測量的精度。

圖像亮度調整系統結構設計

矽基液晶是一種新興的微顯技術，利用該技術微顯示器可以逐像素調整入射光的反射率。LCoS的套用主要集中在投影顯示方面，如頭盔微顯示器、數碼彩擴儀、圖像處理系統等領域。根據LCoS能夠對入射的光的亮度進行像素級衰減這一性質，將測量空間的高動態範圍的亮度調整到攝像機的動態範圍之內，從而抑制圖像的過飽和現象。

圖1 基於LCoS像素級圖象亮度調整系統結構

根據LCoS的光電特性，設計專門的光學結構與LCoS驅動電路，通過此光學結構與驅動電路裝置，實現了採集圖像亮度的像素級調節，使過飽和的圖像的動態範圍調整到圖像感測器的動態範圍，從而達到提高採集到的圖像質量的目的。

像素級亮度控制系統如圖1所示，主要由3部分組成：LCoS光學系統、LCoS計算機控制驅動系統、攝像機圖像採集系統。LCoS光學系統由物鏡和3箇中繼轉像鏡，1個偏振分光稜鏡和LCoS晶片組成，如圖2所示。物鏡採用工業標準的C接口保證成像在第1箇中繼物鏡的前焦平面上，因此可以更換不同焦距的物鏡適應不同環境下物體的測量。從被測物體入射到物鏡的光學在第1箇中繼的焦平面上成實像，實像通過中繼鏡後轉變平行光繼續通過偏振分光稜鏡，偏振分光稜鏡保證P偏振光透射(S偏振光被反射逃出光學系統)，P偏振光繼續通過第2箇中繼鏡在其焦屏面成實像，這個實像被LCoS晶片接收，根據測量的需要，LCoS把入射的P偏振光偏轉為S偏振光；LCoS晶片反射光線包括P偏振光和S偏振光，反射光重新進入第2箇中繼鏡，重新經過偏振分光稜鏡，只有經過LCoS調整的S偏振光才能進入第3箇中繼鏡在其焦平面上成實像被CCD圖像感測器接收。LCoS計算機控制驅動系統由現場可程式門陣列(fieldprogrammablegatearray，FPGA)和通用串列匯流排(universalserialbus，USB)接口以及快取組成，FPGA通過USB接口從PC接收LCoS參數，然後生產LCoS的驅動時序。攝像機圖像採集系統採用CCD攝像機實時採集經過中繼鏡轉換的圖像。系統工作原理為：最初設定LCoS為全反射模式，計算機通過攝像機獲取待測物體在LCoS全反射模式下的原始圖像，通過圖像質量評價算法對原始圖像進行評價，計算得到攝像機過飽和的區域，對於圖像上過飽和的區域根據LCoS像面和CCD像面的對應關係，調整LCoS的反射率，這樣攝像機採集的圖像將不會發生過飽和區域。

圖2 LCoS成像系統等效光路

圖3 LCoS和CCD像素坐標系映射示意圖

素級圖像亮度調整原理與映射關係

（1）圖像亮度動態範圍調整原理

本系統在圖像感測器的前端安裝一光學亮度衰減器LCoS，通過中繼光學系統，對進入圖像感測器的光的亮進行調節。通過LCoS控制電路，對LCoS晶片上每個像素液晶的電壓進行調節，進而控制了液晶的旋轉，從而調製了光線的偏光性。在無衰減器的光學系統中，光線經過圖像感測器直接成像。

通過LCoS光學控制系統，圖像亮度動態範圍得到了提高，實現了圖像亮度的動態調節。如果控制了某個像素點的光線的偏光性，通過相應的映射變換，就可以相應的控制到達圖像感測器的光強，從而實現圖像亮度的像素級調節。

（2）LCoS像素與圖像感測器像素間映射模型

為了實現LCoS像素級控制CCD過飽和的區域，必須要實現CCD成像面和LCoS成像面間像素對應。像素之間的對應關係實際上是一空間映射關係。本文採用攝像機標定技術中比較著名的DLT法(directlineartransformation)對LCoS像素與圖像感測器像素間映射關係進行計算，則LCOS和CCD像素坐標系映射關係如圖3所示。

研究結論

由上述可知，設計了高解析度LCoS和攝像機相結合像素級亮度調整系統，構建了硬體控制平台，實現了視覺測量中圖像的採集像素級亮度控制。實驗證明，利用本系統對3D光學圖像測量系統採集的圖像進行像素級的亮度調節，最佳化了圖像質量，達到了3D光學視覺測量系統能適應各種不同測量環境的目的。LCoS驅動板尺寸很小，可以在不修改原有測量系統結構基礎上，集成到實際的光學3D視覺測量系統中，對3D視覺測量系統提供有益幫助。